机械制造基础第2版 教学课件 ppt 作者 孙学强 主编 第六章合金钢

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1、教 学 要 求 主 要 内 容 本 章 重 点 本 章 小 结 习 题,第六章 合 金 钢,机械制造基础 第六章,教 学 要 求,通过学习，学生应了解合金元素在钢中的作用，熟悉合金钢的分类和编号方法。 掌握合金结构钢和合金工具钢的化学成分特点、热处理特点、组织和性能特点，以及它们的应用。 了解特殊性能合金钢的化学成分特点、热处理特点及应用。对于常用典型钢种，要求学生会制定热处理工艺路线和实际应用。,机械制造基础 第六章,增刊按一般期刊给予奖励。,主 要 内 容,第一节 概 述 第二节 合金元素在钢中的作用 第三节 合金结构钢 第四节 合金工具钢 第五节 特殊性能钢,机械制造基础 第六章,本 章

2、 重 点,合金元素在钢中的作用。 合金结构钢和合金工具钢的化学成分特点、热处理特点、组织和性能特点，以及它们的应用。,机械制造基础 第六章,第六章 合 金 钢,第一节 概 述 合金钢为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢。 加入的元素称为 合金元素 。常用的合金元素有锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铌、铜、铝、硼、稀土 (RE) 等。 根据我国的资源情况，富产的元素有硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素，而铬、镍，特别是钴稀缺。选用合金钢时，应在保证产品质量的前提下，优先考虑我国资源丰富的钢种。 与碳钢相比，合金钢的性能显著提高，应用日益广泛，但价格高于碳钢

3、。,机械制造基础 第六章,一、合金钢的分类 (一) 按用途分类 1、合金结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的钢。主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。 2、合金工具钢用于制造各种工具的钢。主要包括合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢等。 3、特殊性能钢具有某种特殊物理或化学性能的钢。主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等等。 (二) 按合金元素的总含量分类 1、低合金钢。合金元素总含量Me 10。,机械制造基础 第六章,(三) 按正火后的组织分类 将一定截面的试样 (25mm) ，在静止空气中冷却后，按所得组织可分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。 二、合

4、金钢的编号 (一) 合金结构钢 合金结构钢的牌号由三部分组成，即“两位数字+元素符号十数字”。 前面两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍；元素符号代表钢中所含的合金元素，其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍，当其平均质量分数Me 1.5时一般只标出元素符号而不标数字，当其Me 1.5、2.5、3.5时，则在元素符号后相应地标出2、3、4。,机械制造基础 第六章,例如60Si2Mn钢，表示平均c = 0.6，平均si 1.5，平均Mn 1，cr约为12，Mo、V都小于1.5的合金工具钢。 高速钢不论其碳含量多少，在牌号中都不予标出，但当合金的其它成分相同，仅碳含量不同时，则在碳含量高的牌号

5、前冠以“C”字母，如W6M05Cr4V2钢和CW6M05Cr4V2钢，前者c =0.80.9，后者 c = 0.951.05，其余成分相同。,机械制造基础 第六章,(三) 特殊性能钢 特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢的基本相同，只是当其平均 c 0.03 和 c0.08 时，在牌号前分别冠以 “00”及 “0”。 如 0Crl9Ni9 钢表示平均c0.08，cr 19，Ni 9的不锈钢。 (四) 滚动轴承钢 高碳高铬轴承钢属于专用钢，为了表示其用途，在牌号前加以“G” (“滚”字的汉语拼音首字母) ，铬含量以其质量分数的千倍来表示，碳的含量不标出，其它合金元素的表示方法与合金结构钢同。 例

6、如 GCrl5SiMn 钢，表示平均c = 1.5，Si 和Mn 都小于1.5 的滚动轴承钢。,机械制造基础 第六章,第二节 合金元素在钢中的作用 一、强化铁素体 大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。合金元素 溶人铁素体后，产生固溶强化作用，使其强度、硬度升高，塑性和韧性下降。,机械制造基础 第六章,二、形成合金碳化物 合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 非碳化物形成元素有：镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等。它们不与碳形成碳化物而固溶于铁的晶格中，或形成其它化合物。 钢中形成的合金碳化物主要有以下两类： (1) 合金渗碳体。它是合金元素溶人

7、渗碳体 (置换其中的铁原子) 所形成的化合物。合金渗碳体与Fe3C的晶体结构相同，但比Fe3C略为稳定，硬度也略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。 (2) 特殊碳化物。它是中强或强碳化物形成元素与碳形成的化合物，其晶格类型与渗碳体完全不同。特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，也更稳定，不易分解。,机械制造基础 第六章,在钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性而不降低韧性，这对提高工具钢的使用性能极为有利。 三、阻碍奥氏体晶粒长大 强碳化物形成元素钒、铌、锆、钛等容易形成特殊碳化物，铝在钢中常以AIN、Al2O3的细小质点存

8、在，它们都弥散地分布在奥氏体晶界上，由于比较稳定，不易分解溶入奥氏体，从而对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用。因此，合金钢 (除锰钢外) 在淬火加热时不易过热，有利于获得细马氏体组织，同时也有利于提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以改善钢的淬透性和性能。这是合金钢的重要特点之一。,机械制造基础 第六章,四、提高钢的淬透性 合金元素(除钴外)溶入奥氏体后，都能降低原子扩散速度，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置向右移动 (见图6-3) ，临界冷却速度减 小，从而提高钢的淬透 性。 注意：若合金元素 未溶人奥氏体，将不能 增加奥氏体的稳定性， 因而也就不能提高钢的 淬透性，反而会降低钢 的

9、淬透性。,机械制造基础 第六章,五、提高淬火钢的耐回火性 耐回火性淬火钢在回火时，抵抗软化(强度，硬度下降)的能力。 淬火钢的回火转变都是依靠原子的扩散进行的。由于合金元素溶人马氏体，使原子扩散速度减慢，因而在回火过程中，马氏体不易分解，残余奥氏体不易转变，碳化物不易析出，析出后也不易聚集长大。这就使淬火钢的强度、硬度下降缓慢，提高了钢抵抗软化的能力，即提高了钢的耐回火性。 合金钢的耐回火性高于碳钢，在相同的回火温度下，合金钢比相同含碳量的碳钢具有更高的强度和硬度；在达到相同硬度的情况下，合金钢可以在较高的温度下回火。 高的耐回火性使钢在较高温度下仍能保持高的硬度和耐磨性。 钢在高温 ( 55

10、0 ) 下保持高硬度 (60HRC) 的能力叫热硬性。这种性能对工具钢具有重要的意义。,机械制造基础 第六章,第三节 合金结构钢,一、低合金结构钢 低合金结构钢的成分特点是低碳(c 0.20)、低合金元素(一般合金元素总量Me3) ，以锰为主加元素，并辅加以钒、钛、铌、硅、铜、磷等，有时还加入微量稀土元素。 性能特点： 1、具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性。其屈服强度比碳钢提高3050以上，尤其是屈强比 (sb ) 提高得更明显。 2、良好的焊接性。由于这类钢的含碳量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且成分中的碳化物形成元素钒、钛、铌可抑制焊缝区的晶粒长大，故它的焊接性

11、良好。 3、较好的耐蚀性。加入铜、磷，提高了钢材抵抗海水、大气、土壤腐蚀的能力。,机械制造基础 第六章,低合金结构钢一般在热轧空冷状态下使用，其组织为铁素体和珠光体。被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。 常用低合金结构钢的牌号、性能及用途见教材表 6-1。其中16Mn是我国发展最早、产量最大、各种性能配合较好的钢材，故应用最广。 二、合金渗碳钢 渗碳钢是指经渗碳、淬火、低温回火后使用的钢。 它主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件。这类零件都要求表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性。 渗碳钢可分为碳素渗碳钢和

12、合金渗碳钢。 碳素渗碳钢 (c=0.100.20%) 由于淬透性低，仅能在表面获得高的硬度，而心部得不到强化，故只适用于较小的渗碳件。,机械制造基础 第六章,合金渗碳钢的平均c一般在0.10.25之间，以保证渗碳件心部有足够高的塑性与韧性。 合金渗碳钢的性能特点： 1、渗碳淬火后，渗碳层硬度高，具有优异的耐磨性和接触疲劳强度； 2、渗碳件心部具有高的韧性和足够高的强度； 3、具有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度(900950)下奥氏体晶粒不易长大，淬透性也较好。 合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后直接淬火和低温回火。 热处理后渗碳层的组织由回火马氏体+粒状合金碳化物+少量残余奥氏体组成，表面

13、硬度一般为5864HRC。心部组织与钢的淬透性及工件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为4048HRC；多数情况下，是由托氏体+回火马氏体+少量铁素体组成，硬度为2540HRC。,机械制造基础 第六章,常用渗碳钢的牌号、热处理、性能和用途见教材表6-2。 20CrMnTi 是应用最广泛的合金渗碳钢，可用来制造汽车、拖拉机的变速齿轮。为了节约铬，常用 20Mn2B 或 20MnVB 等钢代替20CrMnTi。 三、合金调质钢 调质钢通常是指经调质处理后使用的钢，般为中碳的优质碳素结构钢与合金结构钢。它主要用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺栓和齿

14、轮等。 合金调质钢的平均c在0.250.50之间。碳含量过低，不易淬硬，回火后达不到所需硬度；碳含量过高，则韧性不足。主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，以增加钢的淬透性，同时还强化铁素体。辅加元素有钼、钨、钒、钛等，主要是防止淬火加热产生过热现象，细化晶粒和提高回火稳定性，进一步改善钢的性能。,机械制造基础 第六章,合金调质钢具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的综合力学性能。 合金调质钢的最终热处理一般为淬火后高温回火（调质)，组织为回火索氏体，具有高的综合力学性能。 若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。 40Cr钢是典型的合金调质钢，其强度比40钢高20，并

15、有良好的塑性和淬透性，因此被广泛用于各类机械设备的主轴，汽车半轴、连杆及螺栓、齿轮等。 常用合金调质钢的牌号、热处理、性能及用途见教材中表6-3。,机械制造基础 第六章,四、合金弹簧钢 弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。弹簧是利用其在工作时产生的弹性变形来吸收能量，以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能量，以驱动机件完成规定的动作。因此，要求弹簧材料具有高的弹性极限，尤其要具有高的屈强比，高的疲劳强度以及足够的塑性和韧性。 合金弹簧钢的平均c在0.450.70之间，以保证高的弹性极限与疲劳强度。 弹簧钢根据弹簧尺寸和成形方法的不同，其热处理方法也不同。 1、热成形弹簧 当弹簧丝直径或钢板厚度大于1015mm时，一般采用热成形。其热处理是在成形后进行淬火和中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限与疲劳强度，硬度为4045HRC。,机械制造基础 第六章,2、冷成形弹簧 对于直径小于8-10mm的弹簧，一般采用冷拔钢丝冷卷而成。 若弹簧钢丝是退火状态的，则冷卷成形后还需淬火和中温回火； 若弹簧钢丝是铅浴索氏体化状态或油淬回火状态，则在冷卷成形后不需再进行淬火和回火处理，只需进行一次200-300的去应力退火，以消除内应力，使弹簧定形。 弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度和寿命。 60Si2Mn钢是